研究为细胞模拟提供了一种强大的计算机建模方法

堪萨斯大学本周发表在《美国国家科学院院刊》上的一份里程碑报告提出了一种用计算机模拟分子生命的新技术。根据主要作者、计算生物学项目和计算生物学中心主任、KU分子生物科学教授IlyaVakser的说法，对生命过程的计算机建模的研究是朝着以原子分辨率创建活细胞的工作模拟迈出的重要一步.这一进展有望为细胞的基本生物学提供新的见解，以及更快、更精确地治疗人类疾病。

“它比现有的原子分辨率技术快数万或数十万倍，”Vakser说。“这提供了前所未有的机会来描述现在远远超出计算建模范围的生理机制，深入了解细胞机制并利用这些知识来提高我们治疗疾病的能力。”

到目前为止，通过计算机对细胞建模的一个主要障碍是如何处理位于细胞过程核心的蛋白质及其相互作用。迄今为止，建立蛋白质相互作用建模技术依赖于“蛋白质对接”或“分子模拟”。

根据研究人员的说法，这两种方法都有优点和缺点。虽然蛋白质对接算法非常适合采样空间坐标，但它们不考虑“时间坐标”或蛋白质相互作用的动态。相比之下，分子模拟可以很好地模拟动力学，但这些模拟太慢或分辨率太低。

作者写道：“我们的概念验证研究连接了两种建模方法，开发了一种可以在全原子分辨率下达到前所未有的模拟时间尺度的方法。”

Vakser在论文上的合作者是法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学的SergeiGrudinin。加州大学洛杉矶分校的EricDeeds;KU博士生NathanJenkins和PetrasKundrotas，KU计算生物学项目的助理研究教授。

在概念化如何最好地结合两种蛋白质建模方法的优势后，该团队开发并编码了一种算法来驱动新的模拟。

“最困难的挑战是开发能够充分反映该方法简单基本思想的算法，”Vakser说。

但是一旦他们取得了突破，他们就可以着手验证新程序。

“范式很简单——一目了然，”Vakser说。

“现有的模拟方法将大部分计算时间花费在系统的低概率或高能量区域。我们都知道这些区域在哪里。相反，我们的想法是仅在高概率区域进行采样或移动。-概率，低能量区域，并通过估计高概率状态之间的转换率来跳过低概率区域。该范式与生物分子建模本身一样古老，并且自建模时代开始以来已被广泛使用几十年前。”

但Vakser表示，在他的团队发表新论文之前，该方法尚未应用于细胞环境中蛋白质相互作用的动力学，这是他们研究的重点。

“因为高概率状态比低概率状态少得多，这让我们的计算速度有了巨大的提升——几十到几十万倍，”Vakser说。“这是在没有明显损失准确性的情况下完成的。可以说获得了准确性，因为模拟协议基于'对接'技术，该技术是专门为表征蛋白质组装而设计的。”

这位KU研究人员表示，他的细胞模拟方法可以用于研究人类健康并以新的精度水平治疗疾病。

“该方法可用于研究疾病机制的分子途径，”Vakser说。“它可以用来通过改变蛋白质结合模式来确定基因突变的有害影响——基因突变导致蛋白质结构发生变化，进而影响蛋白质结合。或者它可以用来识别药物设计的靶点检测蛋白质结合模式中的关键元素。”

根据Vakser的说法，新的模拟技术为未来的探索提供了许多有前途的研究途径。

“其中一项正在调整蛋白质与核酸、RNA和DNA相互作用的方法，”他说。“此外，我们希望考虑分子形状的灵活性，与快速发展的细胞环境实验研究谱相关联，并将该程序应用于实际细胞模型-其实际分子成分包装在一起。”